无人机飞行控制与航迹规划研究_薛若宸.caj

无人机飞行控制与航迹规划研究
作者 : 薛若宸
学位授予单位 : 北京理工大学宇航学院
学位名称 : 硕士
导师姓名 : 唐胜景
学位年度 : 2016
摘要 : 无人机飞行控制与航迹规划做为无人机的关键技术,是无人机实现自主控制飞行的关键因素,是完成复杂任务、实现安全飞行的重要保证。本文针对上述两个问题,进行了研究。论文以四旋翼无人机为研究平台,对无人机的飞行控制方法与航迹规划方法进行研究。首先,基于欧拉法建立四旋翼模型。在此基础上,设计了一种无人机双回路控制器。考虑到四旋翼无人机姿态运动学与动力学的强非线性与强耦合的特点,本文采用反步法设计了内环姿态控制器,利用PID设计了外环控制器进行位置控制。基于Matlab搭建了无人机控制器仿真验证平台,并验证了控制算法的正确性。为进一步验证所设计控制器的实用性与可靠性,基于Arduino开发环境设计了四旋翼控制半实物仿真平台,并对所设计的控制器进行验证。实验结果表明,论文所设计的控制器能有效跟踪控制指令。其次,针对传统几何学搜索算法规划获得的航迹可飞性差的问题,提出了一种基于A*算法、微分平滑与序列二次规划算法的航迹规划方法。该方法利用A*算法规划出最小代价的初始航迹,结合微分平滑方法对四旋翼动力学模型进行处理以降低非线性规划方法的求解难度,最后利用序列二次规划方法求解出可飞性较好的航迹。另外,对于突发威胁,设计了一种基于D*Lite、微分平滑与序列二次规划算法的局部重规划方法,以提高航迹规划的可飞性。对提出的航迹规划方法进行了模拟仿真,并与传统航迹规划方法进行比较,实验结果显示出该方法规划出的航迹不可飞跃尖点明显减少。最后,为验证所设计的飞行控制算法与航迹规划方法的效果,本文基于paparazzi与Flightgear开源软件搭建了可视化模拟仿真平台,实现了无人机飞行过程中的飞行姿态与位置、大气条件与地面环境的三维可视化显示。基于此仿真平台下的飞行仿真在保证正确性的同时更加直观形象,且具有实用性与良好扩展性。